Fonctionnement en génératrice

Avec le regain d’intérêt pour les énergies renouvelables, les systèmes éoliens à vitesse variable avec la MADA connaissent un grand essor et un grand nombre de publications accompagnant ce développement. La littérature est abondante dans ce domaine et les thèmes abordés sont très variés :

 Modélisation, zones limites de fonctionnement et stabilité de la MADA.

 Qualité de l’énergie fournie et qualité des courants et tensions notamment en présence des défauts au niveau du réseau.

 Stratégies de commande de la MADA avec ou sans capteur de vitesse et de position.

 Dimensionnement du convertisseur au rotor.

 Un stator relié au réseau ou sur charge indépendante.

Dans cet état de l’art, nous nous limitons au stator connecté directement au réseau et un convertisseur alimente le rotor comme nous le montre la figure I.9. Cette solution permet de fournir une tension et une fréquence fixes même lors d’une fluctuation de la vitesse.

Dans ce cas la plus grande partie de la puissance est directement distribuée au réseau par le stator et moins de 30% de la puissance totale passe par le convertisseur de puissance à travers le rotor. Ceci donne l’occasion d’utiliser des convertisseurs plus petits et donc moins coûteux, [53] [54].

32 Fig. I.9.

Schéma d'un système utilisant une MADA en alternateur alimenté par un seul convertisseur

Parmi les premiers à s’intéresser à la MADA en génératrice, nous citons HOLMES qui étudie dans [55] une machine à deux enroulements rotoriques alimentés par un cyclo-convertisseur. Cette machine fonctionne en génératrice entraînée par une éolienne. Les résultats obtenus sont satisfaisants lorsque le couple est proportionnel au carré de la vitesse.

Dans [56], propose une application éolienne de la MADA en fonctionnement générateur dont les enroulements statoriques sont connectés au réseau tandis que les enroulements rotoriques sont reliés à un onduleur. Il présente une courbe de couple mécanique en fonction de la vitesse. Il part de l'hypothèse que sa machine est pilotée par un contrôle vectoriel basé sur l'orientation du flux statorique. Il analyse par les simulations des variations des courants, des pertes et des flux. Il démontre que son contrôle, qui doit minimiser les pertes, est performant.

Dans son article [57], PETERSSON fait la comparaison entre quatre méthodes de commande des courants rotoriques d’une MADA entraînée par une éolienne. Le but de cette régulation est d’éliminer la force contre électromotrice au rotor considérée comme une perturbation dans les boucles de courant. L’auteur trouve que la méthode appelée à « résistance active » est la meilleure pour assurer cette élimination. Cette méthode présente, en plus, la meilleure stabilité et la meilleure robustesse vis-à-vis des variations paramétriques.

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BOGALECKA présente dans [58] et [59], une étude théorique d’une MADA débitant sur un réseau alternatif en utilisant un onduleur de tension à MLI régulé en courant au rotor. Deux méthodes de commande vectorielle sans capteur de vitesse ou de position sont proposées. Les simulations effectuées portent sur une machine de 1.2 MW de puissance. Les résultats obtenus montrent un léger couplage entre les puissances active et réactive. Une étude de stabilité est ensuite effectuée à partir des fonctions de transfert linéarisées. Les résultats expérimentaux confirment l’étude théorique.

TANG et XU, [60][61], étudient une MADA entraînée à vitesse variable par une éolienne. Le rotor est relié au réseau par deux onduleurs de tension connectés à un bus continu. Ils essaient de synthétiser des lois de commande des puissances active et réactive. La stratégie de commande proposée agit sur la minimisation des pertes joule en optimisant la puissance réactive au stator, ainsi qu’un flux statorique d’amplitude et de fréquence constantes.

PENA dans [62][63], présente l’étude de la MADA en fonctionnant génératrice associée à une éolienne. Les enroulements statoriques sont reliés à un réseau triphasé, une association redresseur MLI- onduleur, MLI au rotor. L’avantage d’une telle structure est qu’elle permet le réglage indépendant des puissances fournies par l’alimentation et le fonctionnement dans une grande plage de vitesse.

HAGRY, [64], présente une étude théorique de la MADA dont le rotor est connecté au réseau à travers deux ponts à thyristors. La machine fonctionne en hypo synchrone et hyper synchrone. La commande adoptée cherche le réglage des composantes de la tension rotorique. L’utilisation d’un filtre de Kalman étendu a permis le fonctionnement à couple électromagnétique nominal.

SOENS, [65], se base sur le modèle dynamique d’une MADA dédiée aux applications éoliennes et dont la puissance est de 850 kW. Il étudie le courant et la tension rotorique en fonction de la vitesse et des puissances active et réactive. En conclusion, il tire que le courant est un facteur limitant les puissances du stator mais n’a pas d’influence sur la variation de la vitesse de la machine. De plus, il retient que la tension rotorique est un facteur limitant de la zone de variation de la vitesse mais a peu d’influence sur les puissances au stator.

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Dans [66], PERESADA place son étude dans le contexte d'un fonctionnement en mode générateur de la MADA. Les enroulements statoriques sont reliés au réseau, le rotor est connecté à un onduleur de tension. Il propose de faire une régulation "asymptotique" des puissances active et réactive statoriques par le biais d'une régulation des courants actif et magnétisant statoriques. Il se place dans un repère tournant lié à la tension statorique. Pour rester dans le cas le plus général possible, il précise qu'il ne négligera pas les termes résistifs. Il démontre à travers des tests expérimentaux et des simulations que le système est robuste face à des variations paramétriques et face à une erreur de la mesure de la position mécanique du rotor.

KELBER, dans son article [67], étudie le fonctionnement de la MADA en génératrice entraînée par une turbine hydraulique et en moteur, entraînant une pompe. Il présente une étude de la stabilité de la machine ainsi que le principe de commande en courant des deux onduleurs. L’auteur conclut que la MADA en génératrice possède des pôles à faible amortissement avec une pulsation propre proche de la fréquence du réseau, toutefois le choix d’une faible bande passante pour les boucles de courant élimine ce problème. Il montre qu’avec la MADA en génératrice, il est possible de travailler dans les quatre quadrants avec une commande découplée de la vitesse et des puissances. Des résultats expérimentaux sont présentés.

Dans un second article [68], les auteurs, font une comparaison des performances d’une MADA dont le rotor est connecté à un onduleur de tension. Cette étude se place dans le contexte de la génération électrique dans les systèmes éoliens. Ils comparent cette solution aux deux autres envisageables : machine asynchrone à cage avec des vitesses variable et fixe. Les critères de comparaison sont la complexité du système, les zones de fonctionnement et la quantité d’énergie disponible à la sortie. En conclusion, les auteurs constatent qu’en matière de récupération d’énergie, la MADA est la meilleure grâce au maintien de son couple maximal sur une plus grande plage de vitesse. De plus, la MADA est la plus simple à mettre en œuvre.

SCHULZ, [69], compare les performances d’une génératrice doublement alimentée à celle d’une génératrice asynchrone de même puissance (1.5 MW) pour une application éolienne. Il étudie la variation du facteur de puissance de chaque génératrice en fonction de la variation de la vitesse du vent. Il étudie aussi la

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variation du taux de distorsion harmonique en fonction de la puissance active de la génératrice. En conclusion, et du point de vue qualité de la puissance fournie, il n’y a pas grandes différences entre les deux génératrices. La seule différence est au niveau des harmoniques où la génératrice asynchrone doublement alimentée présente un nombre plus important à cause du convertisseur au rotor.

POITIERS dans sa thèse [70], étudie une MADA où le stator est connecté au réseau et le rotor relié à un onduleur. Il établit une commande du type vectorielle avec un référentiel tournant lié au flux statorique. L’étude porte sur la comparaison entre un correcteur PI classique et un correcteur adaptatif type RST. Ces correcteurs visent les régulations du flux statorique et du couple. Les réponses temporelles données par les deux types de correcteurs sont ensuite comparées. Les critères sont la recherche de la puissance active optimale, l’adaptation face à une variation de vitesse brutale et la robustesse face aux variations des paramètres électriques. Les conclusions prouvent que le régulateur RST donne des résultats meilleurs en termes de robustesse vis-à-vis des variations paramétriques.